Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ, посвященных проблеме совершенствования показателей пуска дизеля в условиях пониженных температур окружающего воздуха 10
1.1. Средства пусковой прокрутки вала дизеля 11
1.2. Повышение фактической степени сжатия 14
1.3. Средства облегчения пуска 17
1.4. Совершенствование процессов топливоподачи при пусках из «холодного» состояния 20
Выводы по главе 1 26
Постановка цели изадач исследования 28
Глава 2. Основные теоретические положения разработки метода повышения эффективности «холодного» пуска двигателя в условиях пониженных температур окружающего воздуха 29
2.1. Анализ основных причин затруднённого «холодного» пуска дизеля , 30
2.2. Проблема неустойчивого пуска дизеля и пути её решения 32
2.3. Переходные процессы в системах двигателя при пусках -разгонах... 38
2.4. Разработка метода пуска дизеля из «холодного» состояния 46
2.5. Система подачи легко воспламеняющейся жидкости 51
2.6. Система отключения цилиндров и циклов 53
2.7. Моделирование режимов разгона дизеля после пуска 56
2.8.Анализ кинематики и динамики дизеля в условиях пуска -разгона 60
2.9. Проверка применимости расчётных соотношений для определения задержек воспламенения в режимах пусков - разгонов 62
Выводы по главе 2 63
Глава 3. Стенды для испытаний дизеля и его топливной аппаратуры, методики исследований, погрешности измерений и статистическая обработка результатов измерений 65
3.1. Стенд для исследования топливной аппаратуры дизеля с системой подачи легко воспламеняющейся жидкости 65
3.2. Стенд для исследования дизеля с системой подачи легко воспламеняющейся жидкости через клапан регулирования начального давления 67
3.3. Погрешности измерений 70
3.3.1. Определение относительной погрешности измерения цикловых подач топлива на безмоторном стенде 70
3.3.2. Определение допустимых погрешностей измерителей параметров, определяющих массовый расход жидкости, если предельно допустимая погрешность его определения не должна превышать ±1,5% 74
3.3.3. Определение предельной относительной ошибки измерения мощности двигателя при испытаниях на стенде на установившихся режимах работы 76
3.4. Испытания для определения внешней скоростной характеристики (ВСХ) дизеля при частотах вращения ниже минимальной 78
3.5. Статистическая обработка результатов повторных реализаций режимов разгонов 83
3.6. Методика определения моментов инерции двигателя и установки 85
Выводы по главе 3 86
Глава 4. Результаты экспериментальных и расчётных исследований пуска «холодного» дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха 87
4.1. Исследование циклов пуска - разгона дизеля с использованием разных методов облегчения пуска 87
4.1.1. Анализ цикла установившегося режима. 87
4.1.2. Анализ цикла пуска дизеля из «холодного» состояния при использовании легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ), подаваемой на впуске в дизель 93
4.1.3. Анализ цикла пуска дизеля из «холодного» состояния при использовании легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ), подаваемой в двигатель через клапан регулирования начального давления (РНД) 102
4.2. Анализ трансформации индикаторных диаграмм при быстром разгоне после пуска из «холодного» состояния 106
4.3. Результаты расчётного и экспериментального определения задержек воспламенения при пуске — разгоне «холодного» двигателя 113
Выводы по главе 4 123
Общие выводы по работе 125
Список литературы
- Средства пусковой прокрутки вала дизеля
- Анализ основных причин затруднённого «холодного» пуска дизеля
- Стенд для исследования топливной аппаратуры дизеля с системой подачи легко воспламеняющейся жидкости
- Исследование циклов пуска - разгона дизеля с использованием разных методов облегчения пуска
Введение к работе
Пуск двигателя - необходимое условие работы любой энергетической установки. Организация пуска всегда требует дополнительного оборудования, усложнения и удорожания двигателя, дополнительного технического обслуживания его, а проведение пуска всегда сопровождается сокращением моторесурса, перерасходом топлива, повышенными выбросами токсичных компонентов. Особенно сложным, затруднённым, сопровождающимся не только снижением моторесурса, но и опасностью аварии, является «холодный» пуск, то есть пуск непрогретого двигателя в условиях пониженных температур окружающего воздуха.
Пусковые качества автомобильных дизельных двигателей оцениваются предельной температурой надёжного пуска и временем, необходимым для подготовки дизеля к принятию нагрузки. При пониженных температурах двигателя и окружающего воздуха пуск затрудняется, надёжность пуска существенно снижается, а время подготовки к принятию нагрузки возрастает.
Эти характеристики зависят от конструктивных и эксплуатационных показателей дизеля: степени сжатия, параметров топливоподачи при пуске, момента сопротивления вращению вала дизеля, мощности электропусковой системы (ЭПС), марок применяемых топлив и масел и т. д. Предельная температура надёжного пуска зависит от пусковых оборотов - частоты прокручивания коленчатого вала. Эта частота у «холодного» дизеля снижается, так как растёт сопротивление прокручиванию вала, снижается ёмкость аккумуляторных батарей. Снижаются давление и температура воздуха в цилиндре в конце сжатия (Рс, Тс). В этих условиях возникают проблемы с самовоспламенением горючей смеси. При значительных отрицательных температурах проблему самовоспламенения часто решают применением легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), обычно основанных на эфирах. ЛВЖ могут подаваться в цилиндр дизеля в процесса всасывания воздуха из впускного трубопровода, т. е. по принципу внешнего смесеобразования. При этом возникают проблемы с преждевременным самовоспламенением смеси и даже возможностью проворачивания вала дизеля в обратном направлении, особенно при повторных реализациях пуска после неудавшегося. Кроме того, подача ЛВЖ происходит в течение одного, реже нескольких циклов. Т.е. в дальнейшем разгоне и прогреве дизеля ЛВЖ не участвует, несмотря на ещё пониженные температуры двигателя. В результате появляется возможность того, что двигатель «заглохнет», возникает необходимость повторного пуска.
Для устранения этих недостатков может применяться подача ЛВЖ в цилиндры путём впрыскивания вблизи ВМТ через специальную форсунку. Т. е. в данном случае по принципу внутреннего смесеобразования. Однако, в этом случае усложняется система пуска, которая может быть применена лишь при «холодных» пусках. В остальных режимах эксплуатации она не применима.
Известно применение ЛВЖ путём внутреннего смесеобразования при подаче жидкости в топливо вблизи форсунки через клапан, получивший название клапана регулирования начального давления (РНД), или, иначе, клапана импульсной подачи. Достоинством системы является возможность её применения на дизеле модернизационным путём, т. е. без изменения конструкции дизеля, а также возможность использования системы на других режимах эксплуатации дизеля.
В работе исследуются пуски «холодного» дизеля, оснащённого системой топливоподачи с клапаном регулирования начального давления (РНД) или, иначе, импульсной подачи, возможности улучшения динамических качеств дизеля после «холодного» пуска с использованием той же системы, возможности поддержания устойчивости пусков, в том числе путём пагружения части цилиндров дизеля отключением других.
Средства пусковой прокрутки вала дизеля
Средства предпусковой прокрутки вала должны обеспечивать достижение пусковой частоты, которая определяет в данных условиях возможность достижения условий в цилиндре, при которых возможно появление самовоспламенения горючей пусковой смеси [1, 10, 14, 17, 22, 24, 27, 31, 35, 49, 66, 80, 85, 97]. При холодном пуске растёт момент сопротивления вращению вала пусковым средством (в данном случае обсуждаются только электропусковые средства (ЭПС)). Уменьшается мощность ЭПС, а следовательно развиваемый им крутящий момент из - за падения ёмкости аккумуляторных батарей. Ухудшаются возможности испарения топлива и в конечном итоге возникает необходимость в повышении пусковой частоты вращения. Поэтому задача состоит в уменьшении момента сопротивления. (Как отмечено выше, здесь не рассматриваются возможности предпускового прогрева двигателя, например, [62, 72] или всего автомобиля, трактора). В то же время показано [10, 93], что момент сопротивления вращению вала связан прежде всего с вязкостью х масла (Мс=Ап «и .). Достижимая частота прокрутки вала может быть повышена благодаря применению моторных масел с пологими вязкостно - температурными характеристиками [34, 35, 66], применению более мощных ЭПС, применения параллельно батареям конденсаторов сверхвысокой энергоёмкости, применению параллельно с ЭПС различных накопителей кинетической энергии [22].
Для двигателей наиболее эффективно применение маловязких загущенных масел (рис. 1.1.). Загущенное масло 10W-30 имеет значительные преимущества перед маслом М8Г2(к) как по частоте прокручивания (п) коленчатого вала, так и по токовым нагрузкам.
Применение импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоёмкости в ЭПС двигателей имеет ряд преимуществ: увеличение частоты прокручивания коленчатого вала, снижение токовых нагрузок на аккумуляторные батареи, увеличение числа возможных попыток пусков, пуск прогретого двигателя без аккумуляторных батарей [16]. В работе [27] предложено параллельно с аккумуляторной системой установить электромеханический накопитель энергии в виде обратимой электрической машины, связанной с маховиком, выполненным в виде запасного колеса. Перед пуском разгоняют колесо - маховик. Затем включают аккумулятор и накопитель, переводя его в режим генератора. Это эффективнее, чем от конденсаторной батареи, колесо легче, чем маховик.
Пуск дизелей малой и средней мощности наиболее распространён раскруткой вала электростартером постоянного тока. Его недостаток -повышенные требования к ёмкости аккумуляторной батареи и проч. Модификация стартерного пуска — конденсаторный пуск. Для дизель -генераторных установок предложен пуск путём перевода синхронного генератора в двигательный режим при питании от статического преобразователя частоты и напряжения. Некоторая неравномерность вращения вала при этом даже полезна, так как способствует повышению скорости нарастания давления в цилиндре и более успешному воспламенению [85].
В [93, 94] отмечено, что вязкость масла является важнейшим фактором, влияющим на пуск двигателя при низких температурах. При этом принимают во внимание ещё два фактора: мощность аккумуляторной батареи и испаряемость топлива. Если учитывать все три фактора, то в классификации должны быть указаны ряд вязкостен при низких температурах. В [97] обычно способность аккумулятора стартера обеспечить пуск при отрицательных температурах определяют по точке пересечения экспериментальных скоростных характеристик момента (требуемого) прокрутки двигателя и момента (развиваемого) пусковой системы. Разброс этих характеристик для разных двигателей и разных пусковых систем велик, т. е. требуется испытывать каждый двигатель и систему. Предлагается использовать вероятностные уравнения и наносить поля допусков на кривые моментов. Полученное четырёхугольное поле позволяет выбрать систему пуска.
В [89] при остановках у светофора, вообще коротких остановках используется остаточное давление воздуха в цилиндре, следующем по порядку работы после остановки. При нажатии на акселератор в этот цилиндр впрыскивается топливо из аккумулятора и подаётся высокое напряжение от аккумулятора на свечу зажигания. После пуска начинает работать обычная система организации рабочего процесса. Эффект остаточного давления в цилиндре может быть использован в течение нескольких минут после остановки. Если остановка длится дольше, то применяется обычный пуск.
В работе [74] предлагается использовать накопитель энергии для повышения эффективности неустановившихся режимов. Он же может быть использован и для пуска. В работе [81] предлагается вести совершенствование пуска для того, чтобы уменьшить долю холостых ходов.
Анализ основных причин затруднённого «холодного» пуска дизеля
Основные причины затруднённого пуска дизеля из «холодного» состояния в условиях пониженных температур воздуха (а в высокогорных условиях и пониженных давлений окружающего воздуха) заключаются в следующем (таблица 2.1): высокое сопротивление прокручиванию вала, ограничивающее возможности повышения пусковой частоты вращения; низкое качество создаваемой горючей смеси, связанное с низкой скоростью движения плунжера и низкой температурой, а значит высокой вязкостью, топлива; низкой температурой заряда, связанной с низкой температурой деталей двигателя и окружающего воздуха; низкой воспламеняемостью смеси, связанной с низким цетановым числом штатного дизельного топлива; возможной неустойчивостью режима пуска - разгона, связанной с низкой скоростью прогрева запущенного двигателя при высокой скорости изменения частоты вращения его вала при разгоне.
Разработка метода пуска проводится для случаев, когда нет возможности предварительного предпускового прогрева дизеля, его смазочного масла и т.д. Предполагается, что пусковое средство преодолевает повышенное сопротивление вращению вала, хотя достигаемая частота вращения остаётся пониженной. Качество горючей смеси повышается путём применения повышенной пусковой подачи, что обеспечивается повышением начального давления, а также снижением вязкости топлива, к которому с этой целью добавляются лёгкие фракции (в нашем случае - легко воспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) содержащие в своём составе эфиры).
Повышение начального давления достигается добавкой ЛВЖ к основному топливу через клапан регулирования начального давления (РНД).
Средства для повышения температуры заряда не применяются. Т.е. из положения, что должно быть соблюдено одно из условий: С — 1 ВОСПЛ. 1 ВОС1ІЛ.СМ.5 \ " I / где Тс - температура заряда в конце сжатия, Тноспл - температура воспламенения, Тоосплсм, - температура воспламеняемости смеси, выбирается путь снижения Теоспл.см.- Снижение температуры воспламеняемости смеси достигается применением легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ, основанной на диэтилэфире). При этом, ЛВЖ в жидкой фазе подаётся в двигатель по принципу внутреннего смесеобразования штатной форсункой, благодаря применению клапана РНД для её подачи в основное дизельное топливо в линии высокого давления перед форсункой. Для повышения устойчивости пуска - разгона проводится регулирование интенсивности разгона как применением метода отключения цилиндров или циклов, так и метода добавки ЛВЖ к топливу в регулируемых количествах (т.е. метод регулирования дизеля изменением физико - химических свойств топлива - «физико -химическое регулирование» (ФХР)).
Наличие возможности самовоспламенения горючей смеси при пуске ещё не гарантирует успешности запуска. На рис.2 Л. показаны наложенные на один цикл последовательные циклы пуска «холодного» дизеля. Видно, что по мере разгона начало воспламенения смещается всё дальше за ВМТ и в конце концов при частоте вращения вала щ происходит снижение развиваемого момента ниже момента сопротивления, а затем вспышки в цилиндре прекращаются. Двигатель «глохнет», происходит процесс выбега - остановки. Такую частоту вращения назвали критической п[ф_. Если период задержки самовоспламенения, выраженный в градусах угла поворота коленчатого вала (ср,), превысит величину порядка 35-40 градусов п.к.в, после ВМТ (т.е. некоторый критический угол задержки воспламенения 0кр.: ері 9кр), то произойдёт «заглохание» двигателя и потребуется новая попытка пуска (рис.2.2.). Для разных тепловых состояний двигателя критическая частота вращения будет разной. Так, при первой попытке пуска критическая частота равна Пікр, при повторной попытке (т. е. при уже несколько прогретом двигателе) - п2[ф, затем при следующей попытке - пзкр и т.д. Прогретый двигатель не достигает такой критической частоты и поэтому процесс пуска протекает устойчиво, угол задержки воспламенения (рц возрастает по мере разгона, но не достигает критического значения. Двигатель не глохнет.
Период задержки самовоспламенения в единицах времени может быть определён с помощью полуэмпирического соотношения следующего вида.
Стенд для исследования топливной аппаратуры дизеля с системой подачи легко воспламеняющейся жидкости
Принципиальная схема установки для испытаний топливной аппаратуры дизеля 4411/12,5 приведена на рис. 3.1. Экспериментальная установка смонтирована на базе серийного стенда для испытаний топливной аппаратуры типа ГОСНИТИ. На стенде установлен штатный ТНВД типа УТН-5 (15) с форсункой закрытого типа ФД-22 (4). В течение одного испытания исследовалась одна форсунка (одна секция ТНВД), остальные секции были связаны простым сливом топлива в сборную ёмкость 13 и мерную ёмкость 14. Вблизи форсунки установлены клапан регулирования начального давления (РНД) (5) и датчик давления топлива (6) (пьезокварцевого типа) у штуцера форсунки. Форсунка 8 оборудована индуктивным датчиком хода иглы (8). Источник легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) 9 связан с измерителем 10 расхода ЛВЖ (объёмного типа). Датчик хода иглы использован для определения угла начала впрыскивания и продолжительности топливоподачи. Впрыскивание дизельного топлива или его смеси с ЛВЖ, подаваемой через клапан РНД, происходит в ёмкость 3, в которой может поддерживаться повышенное давление, благодаря связи с баллоном с нейтральным газом (N2).
После окончания очередного режима испытаний топливо из ёмкости 3 сливалось в расходный бак, а пары ЛВЖ отводились в атмосферу вне рабочей зоны. Для проведения нового режима испытаний системы с ЛВЖ необходимо заполнить измеритель 10 пусковой жидкостью. Для этого вентили 9а, 96, 9в открывались, а вентиль 9г закрывался и ЛВЖ заполняла измеритель. Перед испытаниями вентиль 9а закрывали, а вентиль 9г -открывали. Благодаря открытому вентилю 9 в ЛВЖ в измерителе всегда находится под давлением паров лёгких фракций в баллоне с ЛВЖ 9. При испытаниях проводили измерения частоты вращения (датчик частоты 12), фиксировали 100% положения рейки ТНВД, измеряли общий расход смесевого топлива (3) и долю расхода ЛВЖ (10).
В процессе испытаний определена неравномерность подач дизельного топлива по секциям ТНВД 15 в штатном исполнении и с системой подачи дизельного топлива через клапан РИД, который последовательно перемещался по секциям ТНВД, а затем с помощью разных клапанов РНД. В результате определили неравномерность топливоподач по секциям штатной системы, системы с РНД с одним и тем же клапаном и с разными клапанами. Для оценки ожидаемой неравномерности подач при вводе в линии высокого давления ЛВЖ использованы результаты, приведённые на рис. 3.2. Сделан вывод, что ожидаемая неравномерность подач по секциям насоса при пусковых режимах (низких частот вращения) может достигать около ±30%. (Система с РНД несколько повысила равномерность топливоподач по секциям ТНВД).
Предпусковая прокрутка вала проводилась штатным пусковым средством - электрическим стартером с питанием от аккумуляторной батареи. Исследованный дизель был оснащён датчиками и соответствующими системами усиления, преобразования и регистрации сигналов. При пусках регистрировались осциллограммы изменения давление топлива в штуцере ТНВД (Р н), хода иглы форсунки (1іи), положения рейки ТНВД (hp), а также индикаторные диаграммы (давление газов в первом цилиндре дизеля - Pr=f(cp)). Одновременно на ленте шлейфного осциллографа регистрировались верхняя мёртвая точка (ВМТ) первого цилиндра, углы поворота коленчатого вала (ф), а также текущее время (t) осуществления операции пуска — разгона (благодаря чему определялась текущая частота вращения вала дизеля — п). Схема стенда и его спецификация приведена на рис. 3.3.
При испытаниях особое внимание уделено измерениям температур в разных частях двигателя. Так датчик tB регистрировал температуру воздуха вблизи впускного клапана четвёртого цилиндра (последняя использовалась в последующих расчётах в качестве температуры перед клапанном (Тк)). Датчики tM и toxx регистрировали температуры масла на входе в дизель и температуру охлаждающей жидкости. Датчик t ,r. применён для регистрации температуры отработавших газов на выходе из четвёртого цилиндра. Сигналы изменения температур регистрировались электронным пишущим потенциометром (ЭПП). На другой ЭПП выводился сигнал текущей частоты вращения (от тахогенератора). На рис. 3.4. приведены примеры типичных характеристик двух пусков и разгонов после пусков дизеля из «холодного» состояния (температура окружающего воздуха равна -10С) и прогретого (до температуры охлаждающей жидкости около +30 С, температура на впуске +5С)
Исследование циклов пуска - разгона дизеля с использованием разных методов облегчения пуска
Для анализа параметров и показателей циклов пуска составлена программа обработки экспериментальных индикаторных диаграмм, которая была отлажена при обработке экспериментального цикла установившегося режима дизеля на номинальной частоте вращения (п=2200 1/мин) при нагрузке, близкой к номинальной (ре=0,61 МПа). Основной целью обработки информации является получение характеристик изменения крутящих моментов, развиваемых дизелем в процессах разных видов пуска. Индикаторные диаграммы показаны на рис, 4,1 и 4.2. Здесь же приведены характеристики изменения показателей политроп сжатия и расширения, подтверждающие классическое представление о процессах. А именно. Повышенные значения Пі в начале процесса сжатия (П=1,43-1,39, при П] ср=1,376) определяются подводом тепла к свежему заряду от поверхностей камеры сгорания, снижение Пі ниже 1,5 свидетельствует об интенсивном отводе тепла от сжимаемого в цилиндре заряда. Низкие пг в начале расширения (п2 1,0 при п2 ср=1,24) определяются процессом сгорания, а последующее возрастание п2 до значений порядка 1,33 - продолжающимся догоранием.
При угле опережения впрыскивания топлива 9=30 п.к.в. до ВМТ, задержка воспламенения ф; составила около 15 п.к.в., т.е. начало видимого сгорания составило cf c-=15 до ВМТ, что произошло при температуре в цилиндре ТХ=ТС = 600 К. Среднее индикаторное давление pi, полученное обработкой экспериментальной индикаторной диаграммы, составило 0,71 МПа. С учётом ре, полученного при тормозных испытаниях, это даёт механический к. п.д. дизеля на данном режиме ,=0.85, что хорошо согласуется с экспериментальными результатами (прокрутка дизеля тормозом).
На рис. 4.3 и 4.4 приведены характеристики перемещений поршня, скоростей и ускорений поршня на данном режиме. Полученные данные позволили построить характеристики удельных инерционных сил (pj), а также удельных суммарных сил (р=Арг + pj, где Дрг = дел р г=рг-р0, причём, ро=0,1 МПа) (рис, 4,5). Изменение удельной тангенциальной силы рт приведено на рис. 4.6, а соответствующая характеристика крутящего момента, создаваемого одним цилиндром, - на рис. 4.7. Построение кривой суммарного крутящего момента (Мкр) приведено на рис. 4.8. Средний крутящий момент при этом составляет 228 Нм. (Крутящий момент, определённый при испытаниях на стенде, составлял около 231 Нм, т.е. при мощности Ne=53 кВт, а значит погрешность определения момента по индикаторной диаграмме не превышала одного процента).
P.S. Программа расчёта составлена в среде «Excel» с использованием работы: Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей,: Учеб. пособие для вузов.- 3-е изд. перераб и доп.- М. «Высшая школа», 2003. - 496 с. С.с. 152 - 243.
Анализ полученной информации свидетельствует о корректности полученных результатов, что позволяет применять её для анализа циклов работы дизеля при режимах пуска.
При экспериментальном исследовании опробован метод облегчения пуска «холодного» дизеля подачей ЛВЖ на всасывании (Купершмидт В.Л. и др.). Целью эксперимента была демонстрация возможности чрезмерно раннего (до ВМТ) самовоспламенения горючей смеси на базе ЛВЖ при нарушениях технических условий реализации метода. А именно: при условиях в холодильной камере (t= - 15С и соответствующем тепловом состоянии «холодного» дизеля) имитировался режим пуска после неудавшихся двух попыток (т.е. вал дизеля прокручивался пусковым средством дважды по 5 секунд без подачи ЛВЖ), а в третий раз подавали ЛВЖ (использовался аэрозольный баллон с пусковой жидкостью «Холод -40»). В третьем цикле проворачивания вала при t= - 15С с частотой вращения п=150 1/мин) произошла первая вспышка, двигатель запустился и при этом были зарегистрированы индикаторные диаграммы циклов «холодного» пуска. Одна из диаграмм была обработана с использованием приведённой выше методики.
На рис. 4.9 показано, что воспламенение в цилиндре произошло при (рс-=30 до ВМТ при Тс- порядка 350 - 400 К. Процесс видимого сгорания завершился до ВМТ, т.к. за ВМТ сразу началось снижение давления. Жёсткость сгорания в несколько раз превысила жёсткость циклов установившегося режима (рис. 4.10). (Следует отметить, что счёт производился через 10 п.к.в,, что существенно сгладило скорости нарастания давления, т.е. внесло погрешности в определение этого показателя
